Grave dypt: Utnytte kraften til jordmikrober for mer bærekraftig oppdrett

Hubble - 15 years of discovery (April 2019).

Anonim

Det er en gård i Arkansas som vokser soyabønner, mais og ris som har som mål å være den mest vitenskapelig avanserte gården i verden. Jordprøver kjøres gjennom kraftige maskiner for å få mikroberene deres genetisk sekvensert, droner flyr overhead med hyperspektrale bilder av avlingene, og snart vil superdatamaskiner knuse de massive volumene data samlet.

Forskere ved Institutt for Energi Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), som arbeider med University of Arkansas og Glennoe Farms, håper dette prosjektet, som samler molekylærbiologi, biogeokjemi, miljøsensingsteknologi og maskinlæring, vil revolusjonere landbruket og skape bærekraftig oppdrettspraksis som gis både miljø og gårder. Hvis de er vellykket, ser de til å kunne redusere behovet for kjemisk gjødsel og øke opptaket av jordkull, og dermed forbedre landets langsiktige levedyktighet, samtidig som de øker avkastningene.

Et sentralt stykke av forskningen er å forstå mikroberens rolle i jordens helse.

"Mikrober er en kritisk del av jordens helse og produktivitet, " sa forsker Ben Brown. "Ved å forstå hvordan mikrober fungerer og modifisere miljøene der de fungerer, kan vi til slutt utvikle mikrobielle samfunn for å forbedre jordproduktiviteten. I tillegg viser Berkeley Labs forskning at sunne jordarter er mer motstandsdyktige for systemstøt som klimaendringer, tørke og insekter."

En viktig utfordring for å fremme disse målene er anerkjennelsen av den betydelige romlige variasjonen av jordegenskaper i et enkelt felt og mellom felt. Prosjektet "AR1K Smart Farm" har samlet en rekke ekspertise for å fokusere på en 1000 hektar stor gård nær Stuttgart, Arkansas, som en test seng. Prosjektet er co-ledet av Haruko Wainwright, en ekspert i miljøovervåking og estimeringsmetoder i Berkeley Labs jord- og miljøvitenskapsareal, og Ben Brown, ekspert på maskinlæring og mikrobiel analyse i biovitenskapsområdet.

Jord: Det mest komplekse økosystemet på planeten

Verdens befolkning prognostiseres av De forente nasjoner for å vokse til 9, 8 milliarder innen 2050; mating at mange mennesker vil kreve å øke matproduksjonen med mer enn 70 prosent. Likevel har industrialisert oppdrettspraksis utarmet et flertall av landets landbruksareal med aktivt karbon og et balansert mikrobielt økosystem. Dette gjenspeiles i målinger av organisk materiale som gjennomsnittlig bare 1 til 2 prosent i de fleste jordbruksarealer, sammenlignet med historiske nivåer på rundt 10 prosent.

"Våre bønder er avhengige av en tung resept av genetisk modifiserte frø, gjødsel, kjemiske herbicider og pesticider for å skape en lønnsom avling, sier Jay McEntire, leder av Glennoe Farms. For landbrukeren øker denne avhengigheten sine inntakskostnader og øker sin økonomiske risiko. For grunneier uttømmet jord og kjemiske regimer er det risiko for både økonomisk og miljømessig bærekraft. "

Prosjektforskerne bygger på Berkeley Labs ENIGMA- og Microbes to Biomes-initiativer, og utvikler og evaluerer mikrobielle endringer, som kan betraktes som "probiotika for jord", for å erstatte karbon, fosfor og andre næringsstoffer som har gått tapt. Gjentatt bruk av bulkgjødsel og kjemikalier gjennom årene har uttømt jordene og forårsaket andre miljøskader, noe som skaper en ond syklus som gjør den nåværende modellen for industriell landbruk potensielt uholdbar - og stadig dyrere som flere og flere kjemiske og bulk saltbaserte gjødseltilsetninger kreves hvert år.

I tillegg er verdens tilførsel av fosfor begrenset.

Men Berkeley Lab forfølger en mikrobiell løsning. "Den gode nyheten er at det er mange mikrober som har enzymer som kalles fytaser som er i stand til å løse opp uorganisk fosfor", som i hovedsak er "rester" i bakken etter at planter har tatt opp det de trenger fra bergfosforet, ifølge til Brown.

Mens konseptet med mikrobielle endringer ikke er nytt - faktisk kommer kommersielle produkter på markedet - mangler en forutsigbar forståelse av hvordan mikrobiomen påvirker og påvirker planteveksten.

"Det er millioner av mikroberarter per kubikkcentimeter jord, " sa Brown. "Når du nærmer deg planterot og dens indre vev går du fra millioner til dusin. Så planter gjør en enestående jobb med å oppdrette mikrobiomene. De frigjør materialer, inkludert antimikrobielle forbindelser, for selektivt å dræpe uønskede mikrober, og de frigjør mat for å stimulere gunstige mikrober. Det er en svært symbiotisk og enormt kompleks interaksjon, og vi forstår nesten ingenting om det. "

Bridging 18 størrelsesordener

Utfordringen vil være å finne ut årsak-og-effektforholdet mellom de mikrobielle endringene og planteveksten. "Du prøver å koble hendelser til tidsrammer som er relevante for molekyler til hendelser som oppstår i løpet av en seks måneders vekstsesong, " sa Brown. "Du prøver å bygge bro over noe som 18 størrelsesordener over spatiotemporale skalaer. Det er alvorlig ubehagelig."

Det er her dronene kommer inn.

Hyperspectral sensorer på dronene vil kunne oppdage lysrefleksjon fra plantene og se hundrevis av spektrumkanaler, fra synlige til nær infrarøde. "Det menneskelige øyet har bare tre kanaler - rødt, grønt og blått, " sa Wainwright. "Du kan se om et blad ser gult eller grønt, men med hundrevis av kanaler kan du måle karbon- og nitrogeninnhold, og du kan fortelle mye om plantes helse, plantesykdom eller bladkjemi, som alle påvirker avkastning."

I tillegg brukes overflate geofysiske teknikker til å kartlegge jordegenskaper i 3-D, som i stor grad styrer jordmikrobielle aktiviteter.

Maskininnlæring er verktøyet som vil knytte alle dataene sammen. "Teamvitenskapens tilnærming som er banebrytende på Berkeley Lab, blir brukt for å integrere all informasjonen i maskinlæringskonteksten, sier Wainwright. "Vårt overordnede mål er å gi tiltakelig intelligens til landbrukssamfunnet."

Foreløpig har bøndene ingen slik informasjon, selv om tjenester og produkter har spratt opp med ulike "store data" -løsninger. "Alle private selskaper har et stort incitament til å låse egne datasett, slik at de ikke kan brukes sammen med andre datasett, " sa Wainwright. "Det er her den offentlige sektoren, som Berkeley Lab, kan komme inn. Vi er ikke incentivert av fortjeneste."

Den vitenskapelige utfordringen er formidabel, men ikke uoverstigelig. "Vi tror det er et tåler problem, og vi håper å bevise det neste år, " sa Brown.

menu
menu